高壓流體注入對(duì)煤巖變形和破裂特性的影響

劉 超，靖洪文，蔚立元，張東明，劉義鑫

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

以水力壓裂(如液態(tài)CO壓裂和滑溜水壓裂)為代表的流體注入技術(shù)旨在通過(guò)顯著提升目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)的孔隙壓力使該區(qū)域形成連通性良好的流體運(yùn)移增透區(qū)，形成復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)，以利于常規(guī)和非常規(guī)天然氣的大規(guī)模高效開采。與此同時(shí)，在進(jìn)行油氣生產(chǎn)、地?zé)崮荛_發(fā)和二氧化碳封存等流體注入活動(dòng)中可能誘發(fā)地震，危及附近居民。

在儲(chǔ)層巖石中，流體注入行為影響著完整、含天然缺陷巖體的變形、裂隙擴(kuò)展、破裂特性和局部應(yīng)力分布。王春光等研究了無(wú)外部應(yīng)力狀態(tài)和三軸應(yīng)力狀態(tài)下注入氦氣對(duì)煤體變形的影響，得出在注氣過(guò)程中煤體變形與邊界條件、裂隙和基質(zhì)之間的孔隙壓力差、注氣時(shí)間密切相關(guān)。WU等認(rèn)為向煤體內(nèi)注CO初始階段，有效應(yīng)力效應(yīng)對(duì)煤體變形起主要作用，會(huì)導(dǎo)致裂隙張開。HITZMAN認(rèn)為在某一應(yīng)力狀態(tài)下，斷層方向強(qiáng)烈影響著注入過(guò)程中斷層的滑動(dòng)趨勢(shì)。EVANS等認(rèn)為滲透率增強(qiáng)發(fā)生在流體注入早期，支持滲透率增加的力學(xué)機(jī)制涉及斷層結(jié)構(gòu)或裂隙的剪切作用。HEUZE等認(rèn)為在流體注入作用下，斷層發(fā)育程度越高的地層所產(chǎn)生的整體剪切變形越大，且預(yù)先存在的缺陷使其比完整巖石更容易變形。SHAPIRO等發(fā)現(xiàn)在恒定注入壓力下，孔隙壓力對(duì)已存在的臨界缺陷事件的觸發(fā)作用，可能與裂縫的大小分布相一致。RUTLEDGE等認(rèn)為注入流體會(huì)使巖石連通孔隙空間中的壓力增加，從而降低有效的法向應(yīng)力，這導(dǎo)致沿著先前存在的、取向良好的亞臨界裂紋滑動(dòng)。MCCLURE和HORNE得出地層中花崗巖裂縫在注入壓力刺激過(guò)程中會(huì)很好地定向滑動(dòng)。EVANS得出大多數(shù)滲透性裂縫在注入后顯示出剪切破壞跡象。MCCLURE和HORNE認(rèn)為增壓注水至裂縫性、低滲透巖石中，會(huì)觸發(fā)先前存在的裂縫帶滑動(dòng)，導(dǎo)致剪切引起的孔隙擴(kuò)張引起大量低震級(jí)事件。由于剪切作用閾值壓力顯著低于最小主應(yīng)力，使得注入壓力的微小變化會(huì)引起流量的較大改變。

不同黏度的注入流體顯著影響著儲(chǔ)層巖石的裂隙形成類型和擴(kuò)展規(guī)律。ZHANG等利用超臨界CO對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明低黏度超臨界CO壓裂產(chǎn)生量多且不規(guī)則的裂紋。ISHIDA等和DENG等利用不同黏度壓裂液破裂煤巖體，得出相似結(jié)論。此外，在流體注入儲(chǔ)層巖石期間，煤巖顆粒之間的膠結(jié)作用、基質(zhì)吸附-解吸效應(yīng)和裂隙開度不一、易壓縮特性等都決定了有效應(yīng)力系數(shù)介于0～1，也可能大于1。因地應(yīng)力大小差異和巖石內(nèi)部構(gòu)造異質(zhì)性，有效應(yīng)力系數(shù)同樣呈各向異性特征。

水力壓裂引起的流體壓力增加區(qū)域局限在井筒周圍，而廢水處理、CO封存等長(zhǎng)期注入可能會(huì)從井眼擴(kuò)散至很遠(yuǎn)的地方。因此，很有必要研究巖體結(jié)構(gòu)特性、孔隙壓力和不同黏度流體耦合作用下流體注入對(duì)含層理完整原煤的裂隙擴(kuò)展、破裂模式和破裂強(qiáng)度的作用機(jī)制。此外，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和人為活動(dòng)導(dǎo)致煤巖儲(chǔ)層的主應(yīng)力呈真三軸應(yīng)力狀態(tài)(>>)，中間主應(yīng)力的參與對(duì)巖石裂隙擴(kuò)展和破裂特性起著重要影響。筆者綜合考慮完整原煤(未進(jìn)行預(yù)先鉆孔處理)的弱面結(jié)構(gòu)、中間主應(yīng)力和不同黏度流體，以探討煤體的破裂模式、裂隙發(fā)育和擴(kuò)展規(guī)律。同時(shí)，利用修正裂紋滑動(dòng)模型探討增壓流體注入期間裂紋密度參數(shù)演化特性，以期揭示煤巖儲(chǔ)層復(fù)雜縫網(wǎng)形成機(jī)制，為煤層氣高效開采提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試樣制作

試驗(yàn)所用煤樣取自川煤集團(tuán)白皎煤礦2461綜采工作面C1突出煤層。煤層埋深為582.5 m?，F(xiàn)場(chǎng)采取原煤大塊后，用保鮮膜覆蓋并運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)切割機(jī)和精密磨床的鉆取、切割和打磨工序，最終形成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試樣，其相對(duì)端面間不平行度誤差小于0.02 mm。試驗(yàn)所用原煤試件如圖1所示，原煤試件裂隙發(fā)育情況基本一致，未有明顯差異。

圖1 煤巖試樣Fig.1 Coal specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)依托重慶大學(xué)自主研發(fā)的多功能真三軸滲流試驗(yàn)裝置(TTG)，其最大特色是能夠?qū)崿F(xiàn)真三軸應(yīng)力狀態(tài)下流固耦合試驗(yàn)測(cè)試，研究不同工程背景下煤巖基于多種應(yīng)力路徑(如：真三軸應(yīng)力條件、常規(guī)三軸應(yīng)力條件、單軸應(yīng)力條件)的變形、強(qiáng)度和滲流特性。裝置加載板中有2個(gè)方向可提供最大6 000 kN的壓力，另一個(gè)方向可提供最大4 000 kN的壓力，同時(shí)可提供最大60 MPa的流體壓力(圖2)。因此，裝置性能完全可以滿足本試驗(yàn)的技術(shù)要求。

1.3 試樣密封

試驗(yàn)開展前，煤樣的密封過(guò)程如下：① 將底部加載壓頭放置在圖2(a)中的導(dǎo)軌平臺(tái)上(紅色圓框內(nèi))，在底部壓頭卡槽內(nèi)套上密封墊圈；② 將立方體試樣放置在底部加載壓頭上；③ 考慮到試件和壓頭的尺寸，裁剪大約26 cm長(zhǎng)度的熱縮管，將其套入試樣，沒入距離越過(guò)底部壓頭的密封墊圈2 cm左右；④ 用熱風(fēng)槍將密封圈附近的熱縮管吹至緊縮，保證還能調(diào)整熱縮管和試樣位置；⑤ 將頂部壓頭套入熱縮管，與試樣上表面貼合。同樣的，沒入距離越過(guò)上部壓頭的密封墊圈2 cm左右；⑥ 調(diào)整上下壓頭與試樣的位置，使壓頭與試樣之間的貼合區(qū)域符合試樣的幾何形狀，即邊對(duì)邊；⑦ 用熱風(fēng)槍將上壓頭密封圈附近的熱縮管吹至緊縮，然后慢慢將整個(gè)熱縮管吹至與試樣表面緊密貼合；⑧ 移動(dòng)導(dǎo)軌平臺(tái)進(jìn)入加載室。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus

1.4 試驗(yàn)方案及步驟

試件按照層理面垂直于向、面割理垂直于向和端割理垂直于向的方式放置于TTG加載室內(nèi)。試驗(yàn)過(guò)程中，在進(jìn)口端與出口端同時(shí)進(jìn)行流體增壓，并在兩端監(jiān)測(cè)流體壓力，如圖2(b)所示。流體增壓至目標(biāo)值后，在當(dāng)前應(yīng)力環(huán)境下保持10 min，然后進(jìn)行下一步流體增壓，直至煤樣破壞。試驗(yàn)溫度為11 ℃。本次試驗(yàn)最大主應(yīng)力(=)為50 MPa，最小主應(yīng)力為(=)為15 MPa，中間主應(yīng)力(=)分別為20，30，40，50 MPa。具體試驗(yàn)步驟：① 將==以0.5 kN/s的速率同時(shí)加載至靜水壓力15 MPa，保壓5 min；② 保持不變，將和以0.5 kN/s的速率同時(shí)加載至20 MPa，保壓5 min后，進(jìn)行下一步；③ 保持和不變，以0.5 kN/s的速率加載至50 MPa。保壓5 min后，進(jìn)行下一步；④ 向煤體內(nèi)注入不同增壓流體(HO,CO和N)，待流體進(jìn)口端和出口端壓力達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定10 min之后再增加流體壓力，直至試樣破壞。⑤ 重復(fù)上述步驟，不同之處在于②中以0.5 kN/s的速率分別加載至30，40，50 MPa；⑥ 試驗(yàn)結(jié)束。本試驗(yàn)使用Sigmar電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)出口端壓力。應(yīng)力路徑如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)應(yīng)力路徑Fig.3 Test stress path

隨著煤炭淺部資源日益枯竭，深部開采成為煤炭行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)儲(chǔ)層巖石埋深大于1 000 m時(shí)，CO通常呈超臨界狀態(tài)，較低溫度下呈液態(tài)。圖4為溫度為11 ℃下，CO,N,HO的黏度與壓力的關(guān)系。由圖4可以看出，水的黏度明顯高于CO和N的黏度。隨著流體壓力的增加，CO由氣態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)，N由氣態(tài)相變?yōu)槌R界態(tài)。流體黏度的顯著差異是影響煤巖破裂特性(如裂隙萌生和擴(kuò)展，流體壓力峰值和煤體破裂形貌)的重要因素。

圖4 溫度為11 ℃下流體黏度μ與壓力p的關(guān)系 Fig.4 Relationship between fluid viscosity μ and injection pressure p at 11 ℃

氣態(tài)CO具有高壓縮性，在進(jìn)行增壓初期，活塞桿的移動(dòng)距離大。隨著CO壓力增加，轉(zhuǎn)變成液態(tài)CO，壓縮性迅速減小，活塞桿的移動(dòng)隨之降低。因此，在注入CO破裂煤體時(shí)，當(dāng)活塞桿快速移動(dòng)一段距離后穩(wěn)定，表明CO已由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或超臨界態(tài)。判定試驗(yàn)是否成功的一個(gè)重要標(biāo)志是試驗(yàn)結(jié)束后CO在進(jìn)、出口端的相態(tài)。出口端CO相態(tài)為氣態(tài)時(shí)，表明其在保壓過(guò)程中，進(jìn)入煤體內(nèi)孔隙裂隙的CO不能保證其狀態(tài)為液態(tài)。也就是，煤體內(nèi)孔隙壓力并未與進(jìn)、出口端的CO壓力相等，僅在進(jìn)、出口端為液態(tài)CO，表現(xiàn)為打開出口閥后，不能形成持續(xù)一段時(shí)間的液態(tài)CO噴射。圖5為試驗(yàn)結(jié)束后CO在出口端的相態(tài)。由圖5可以看出，氣態(tài)CO轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)CO，并持續(xù)了一段時(shí)間噴射，表明煤體內(nèi)孔隙壓力與進(jìn)、出口端壓力達(dá)到平衡。

圖5 試驗(yàn)結(jié)束后CO2在出口端的相態(tài)Fig.5 Phase state of CO2 at the exit after the experiment

2 煤體變形破裂特征

圖6為流體壓力峰值與中間主應(yīng)力、水平應(yīng)力差(-)的關(guān)系。隨著中間主應(yīng)力(或水平應(yīng)力差)的增加，煤體破壞時(shí)的流體壓力峰值減?。辉鰤鹤⑺啾纫簯B(tài)CO和N較大。試驗(yàn)中，中間主應(yīng)力越大，對(duì)面割理的壓縮作用越強(qiáng)，相應(yīng)地，孔隙壓力對(duì)其變形的擴(kuò)張作用減弱。大量的流體壓力積聚在層理內(nèi)以及沿層理面分布的裂隙內(nèi)，對(duì)最小主應(yīng)力的抵消作用增強(qiáng)。也就是說(shuō)，隨著孔隙壓力的增加，煤體在最小主應(yīng)力方向上的有效應(yīng)力降低程度更顯著，相當(dāng)于最小主應(yīng)力卸載。中間主應(yīng)力越大，這種卸載效應(yīng)越顯著。最終，煤體發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，中間主應(yīng)力與流體壓力峰值呈負(fù)相關(guān)。此外，如圖4所示，溫度為11 ℃時(shí)，水的黏度明顯大于CO和N。相比注水，CO和N能夠進(jìn)入煤體內(nèi)空間更小、范圍更廣的孔隙裂隙，為裂縫的萌生與擴(kuò)展創(chuàng)造條件。因此，相同地應(yīng)力條件下，注水時(shí)最大。

水對(duì)煤體顆粒、裂隙結(jié)構(gòu)具有潤(rùn)滑作用。向煤體內(nèi)注入高壓水后，導(dǎo)致顆粒間的黏聚力減弱，裂隙相對(duì)面的摩擦因數(shù)降低，使煤體承載能力減小。若試驗(yàn)中保壓時(shí)間更長(zhǎng)，很有可能增壓注水時(shí)相較注液態(tài)CO和N小。

圖6 流體壓力峰值與中間主應(yīng)力、水平應(yīng)力差的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak value of fluid pressure andintermediate principal stress,horizontal stress difference

圖7為分別注入N，HO和CO時(shí)，煤體在破壞前各向主應(yīng)變與流體壓力的關(guān)系。由圖7可以看出，中間主應(yīng)力增加抑制了中間主應(yīng)力方向上孔隙壓力所造成的煤體擴(kuò)張變形，其變形經(jīng)歷了水平最大主應(yīng)力處于較低水平時(shí)的擴(kuò)張狀態(tài)到水平最大主應(yīng)力處于較高水平時(shí)的壓縮狀態(tài)。如向煤體內(nèi)注入N和HO期間，當(dāng)水平最大主應(yīng)力處于較低水平，即=20 MPa時(shí)，隨的增加而減小，呈擴(kuò)張態(tài)。注入CO時(shí)，最大水平主應(yīng)力在=20，30 MPa時(shí)，均減小，呈擴(kuò)張態(tài)。根據(jù)能量最低原理，中間主應(yīng)力越高，最小主應(yīng)力方向上孔隙壓力對(duì)煤體造成的擴(kuò)張變形越顯著。因此，最小主應(yīng)變滿足<<<，中間主應(yīng)變滿足>>>。由于泊松效應(yīng)，不論中間主應(yīng)力大小，煤體在水平方向上出現(xiàn)膨脹變形時(shí)，其在最大主應(yīng)力方向上的變形始終處于壓縮狀態(tài)，且最大主應(yīng)變滿足<<<。

圖7 煤體在破壞前各向主應(yīng)變與流體壓力的關(guān)系Fig.7 Relationship between the principal strain and fluid pressure before failure

圖8為煤體在破壞前各向主應(yīng)變變化量(Δ，Δ和Δ)與中間主應(yīng)力或水平應(yīng)力差(-)的關(guān)系。由圖8可以看出，注水條件下，煤體在最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力方向上的變形量最小，這也佐證了低黏度液態(tài)CO和N能夠激活更多的孔隙裂隙，使其在孔隙壓力作用下產(chǎn)生顯著的應(yīng)變響應(yīng)。同時(shí)，也表明用液態(tài)CO和N刺激煤體可以產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)，增透煤層，利于煤層氣開采。此外，從|Δ|>|Δ|可以看出，流體注入致煤體失穩(wěn)破壞實(shí)質(zhì)上為原煤的有效應(yīng)力各向異性作用。也就是，孔隙壓力對(duì)垂直于層理的最小主應(yīng)力產(chǎn)生了顯著的抵消作用，原煤在該方向上呈現(xiàn)明顯的卸載行為，最終導(dǎo)致原煤破壞。

圖8 煤體在破壞前各向主應(yīng)變變化量與中間主應(yīng)力的關(guān)系Fig.8 Relationship between the variation of principal strain and intermediate principal stress before failure

在流體增壓過(guò)程中，煤體在最大主應(yīng)力方向上的變形一直處于壓縮狀態(tài)，且在最小主應(yīng)力方向上的變形量Δ高于中間主應(yīng)力方向上的變形量Δ，即使在中間主應(yīng)力處于較低水平時(shí)，煤體在方向上同樣處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。這表明孔隙壓力對(duì)的抵消作用弱于孔隙壓力對(duì)和的抵消作用，孔隙壓力對(duì)的抵消作用弱于孔隙壓力對(duì)的抵消作用。加之最小主應(yīng)力與層理面相垂直，使得在有效應(yīng)力各向異性效應(yīng)下，隨著煤體內(nèi)孔隙壓力增加，煤體在最小主應(yīng)力方向上表現(xiàn)出顯著的有效應(yīng)力行為，中間主應(yīng)力方向上次之，最大主應(yīng)力方向上最弱。

3 煤體裂隙演化特性

圖9為不同黏度流體和水平應(yīng)力差條件下=50 MPa，=15 MPa煤體破壞后其顆粒散落情況(增壓流體為N時(shí)，=30 MPa條件下的煤體顆粒散落圖片因操作失誤缺失)。由圖9可以看出，隨著中間主應(yīng)力(或水平應(yīng)力差)的減小，煤體散落在試驗(yàn)平臺(tái)上的顆粒越來(lái)越小，破碎效果顯著；N和CO比水對(duì)煤體的破碎程度要明顯，破碎效果更顯著，即相同地應(yīng)力條件下，低黏度的N和CO更容易破裂煤體。散落在桌面上的一些原煤小顆粒，可能是由具有較高動(dòng)能的大顆粒在彈射過(guò)程中相互擊落而致。然而，低中間主應(yīng)力水平下產(chǎn)生的小尺度煤顆粒，甚至尺度更小的煤粉很有可能堵塞瓦斯?jié)B流通道，反而不利于煤層氣抽采。

圖10為不同增壓流體和水平應(yīng)力差條件下(=50 MPa，=15 MPa)煤體的破壞形貌。由圖10可以看出，隨著中間主應(yīng)力或水平應(yīng)力差(-)的增加，煤體由拉伸型破裂轉(zhuǎn)向剪切型破裂。以注入N為例：=20 MPa時(shí)，清晰可見數(shù)條近平行擴(kuò)展的裂隙；=50 MPa時(shí)，出現(xiàn)了宏觀剪切斷裂面。CHENG和WONG認(rèn)為大理巖隨著外部載荷的增加，剪切裂縫中出現(xiàn)了越來(lái)越多的穿晶裂紋和顆粒剝落，在拉伸裂縫中幾乎沒有這種現(xiàn)象。而圖9中，在不同中間主應(yīng)力條件下，隨著孔隙壓力的增加，煤體破壞后均出現(xiàn)了數(shù)量明顯的顆粒剝落，這顯然與大理巖中只有剪切裂隙伴隨著大量顆粒剝落不同。煤體內(nèi)裂隙發(fā)育和擴(kuò)展受外部應(yīng)力環(huán)境和特有結(jié)構(gòu)(具有典型的層理、面割理和端割理)控制。流體壓力在增加過(guò)程中，很可能沿著弱面、煤體膠結(jié)處將煤體切割(如煤顆粒翻轉(zhuǎn)、層理面附近沿層理擴(kuò)展的拉伸裂隙引起的煤顆粒剝落)形成數(shù)量可觀的剝落煤顆粒。

圖9 不同增壓流體、水平應(yīng)力差條件下煤體在破壞后顆粒的散落情況Fig.9 Dispersion of coal particles after failure under the condition of different pressurized fluid and horizontal stress difference

圖11為遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力=50 MPa，=40 MPa，=15 MPa時(shí)，水注入煤體形成的裂隙類型。由圖11可知，出現(xiàn)了剪切裂隙(S)和拉伸裂隙(T)。然而，圖11所示的裂隙是煤樣破壞后所觀察到的，并沒有用高速攝像機(jī)全程捕捉裂隙的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展，僅通過(guò)破壞后的裂隙形貌特征和斷口特征進(jìn)行類型判別是值得商榷的，如MORGAN和EINSTEIN同樣認(rèn)為剪切裂隙的跡象可能混淆著先前存在的拉伸裂隙。

判定剪切裂隙的依據(jù)為：① 剪切裂隙斜穿層理面，并與水平方向呈一定角度，剪切裂隙角度和宏觀破壞面與最小主應(yīng)力之間的夾角具有相似性；② 相較水平應(yīng)力差為5 MPa時(shí)，水平應(yīng)力差為25 MPa條件下易于形成剪切裂隙；③ 煤樣破壞后，其破斷面上監(jiān)測(cè)到一層薄薄的煤粉，這與CHENG和WONG所觀察到的剪切裂縫特征一致。

判定拉伸裂隙的依據(jù)為：① 煤體內(nèi)層理以及層理附近，大量沿層理分布的天然裂隙成為外部刺激下發(fā)育和擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)裂隙。在孔隙壓力驅(qū)動(dòng)下，這些優(yōu)勢(shì)裂隙會(huì)繼續(xù)沿著層理擴(kuò)展，與所施加的偏應(yīng)力大小關(guān)系很?。虎?形成的裂隙面相對(duì)平整，這與剪切裂紋有著階梯狀的形狀相反?？梢院?jiǎn)單概括為較大和柔軟的缺陷優(yōu)先萌生拉伸裂隙。新生拉伸裂隙的局部壓應(yīng)力場(chǎng)未顯著增強(qiáng)(如煤體處于低中間主應(yīng)力水平)，使得沿著層理面以及層理面附近形成的裂隙以拉伸裂隙為主。

圖12為不同水平應(yīng)力差條件下(=50 MPa，=15 MPa)，流體注入誘發(fā)裂隙相對(duì)層理的擴(kuò)展行為。圖中出現(xiàn)了3種裂隙相對(duì)于層理面的擴(kuò)展行為：① 低水平應(yīng)力差條件下，裂隙沿著或平行于層理面進(jìn)行擴(kuò)展(P)；② 高水平應(yīng)力差條件下，裂隙穿越/斜穿層理面進(jìn)行擴(kuò)展(C)；③ 高水平應(yīng)力差條件下，裂隙斜穿至某一層理面或沿層理面的某一裂隙時(shí)中止擴(kuò)展(A)。認(rèn)為出現(xiàn)③的原因?yàn)槊后w承受的剪應(yīng)力“適中”，裂隙中止處的弱面結(jié)構(gòu)耗散了裂隙繼續(xù)斜穿擴(kuò)展的能量(或擴(kuò)展裂隙在中止前經(jīng)過(guò)一些缺陷時(shí)已經(jīng)耗散了部分能量)，使其不足以繼續(xù)斜穿弱面結(jié)構(gòu)。

圖10 不同增壓流體、水平應(yīng)力差條件下煤體的破壞形態(tài)Fig.10 Failure mode of coal under the condition of different pressurized fluid and horizontal stress difference

圖11 增壓水注入引起的剪切裂隙和拉伸裂隙形成Fig.11 Shear cracks and tensile cracks formation caused bypressurized water injection

圖12 不同水平應(yīng)力差條件下增壓流體注入引起的裂隙相對(duì)層理的擴(kuò)展行為Fig.12 Propagation of crack relative to the bedding planecaused by the injection of pressurized fluid under differenthorizontal stress difference

結(jié)合圖9～12，圖13，14總結(jié)了流體注入期間裂隙擴(kuò)展行為。如圖13所示，裂紋擴(kuò)展行為及其機(jī)理解釋：① 煤顆粒的翻轉(zhuǎn)，這可能是由煤顆粒間較低的膠結(jié)強(qiáng)度所致；② 層理內(nèi)或沿層理附近天然存在的缺陷(包括孔隙、裂隙和空洞)因高壓流體作用，產(chǎn)生拉伸裂隙，并繼續(xù)沿著層理面擴(kuò)展，使得煤體沿著這些裂隙發(fā)生滑移，表現(xiàn)為層理面進(jìn)行了平移；③ 煤體內(nèi)天然存在的缺陷相對(duì)層理走向不論是(近)平行還是(近)垂直，高壓流體進(jìn)入煤體缺陷后，或多或少產(chǎn)生一定數(shù)量的拉伸裂隙。若煤體處于高應(yīng)力差作用下，因偏應(yīng)力作用，這些拉伸裂隙邊緣處和端點(diǎn)附近因局部應(yīng)力變化產(chǎn)生剪切裂隙并穿越層理面繼續(xù)擴(kuò)展，流體壓力也進(jìn)一步抵消了剪切裂隙面上的法向應(yīng)力(較高的水平應(yīng)力差產(chǎn)生較大的偏應(yīng)力作用，煤體內(nèi)天然存在的缺陷以及流體注入過(guò)程中產(chǎn)生的拉伸裂紋相對(duì)面錯(cuò)動(dòng)，主要形成剪切裂隙)，使得不穩(wěn)定滑移的臨界尺寸增加，促進(jìn)了剪切裂隙的形成，最終穿越層理等弱面結(jié)構(gòu)形成宏觀剪切滑移面；④ 剪切裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，擴(kuò)展到②形成的拉伸裂隙處中止，然后裂隙沿著層理(包括層理內(nèi)的沿層理裂隙和層理附近的沿層理裂隙)面擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為煤體呈張剪復(fù)合破壞模式。

圖13 煤體內(nèi)裂隙形成Fig.13 Fracture formation in coal

圖14 增壓流體注入期間裂隙擴(kuò)展示意Fig.14 Schematic diagram of crack growthduring pressurized fluid injection

于是得到:① 水平應(yīng)力差及裂紋間誘發(fā)應(yīng)力擾動(dòng)(包括強(qiáng)度、范圍、持續(xù)時(shí)間)較小時(shí)，裂隙間以平行擴(kuò)展為主(圖14(a))；② 水平應(yīng)力差較小且裂紋間誘發(fā)應(yīng)力擾動(dòng)較大時(shí)，裂隙間以非平行擴(kuò)展為主(圖14(b))。如高壓流體進(jìn)入某一裂隙產(chǎn)生強(qiáng)于遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力的局部應(yīng)力場(chǎng)，相鄰裂隙在擴(kuò)展中經(jīng)過(guò)該應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，一些學(xué)者將這種轉(zhuǎn)向稱為應(yīng)力陰影效應(yīng)，在水力壓裂作業(yè)中廣泛存在。可以利用應(yīng)力陰影效應(yīng)構(gòu)造儲(chǔ)層巖石復(fù)雜縫網(wǎng)，提高非常規(guī)天然氣產(chǎn)量；③ 水平應(yīng)力差較大時(shí)，新生或天然裂紋穿越層理面不斷擴(kuò)展，最終在某一斷裂韌性很大的層理面或是沿層理面發(fā)育的裂隙處終止擴(kuò)展，并轉(zhuǎn)向沿層理面方向(圖14(c))，CHANDLER 等在頁(yè)巖中也觀察到這種裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；④ 水平應(yīng)力差較大時(shí)，新生或天然裂紋穿越了層理面擴(kuò)展，最終形成典型的剪切破壞(圖14(d))。

4 裂紋密度參數(shù)演化特性

(-)-(-)=

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過(guò)假定=0.1，=1，=0.32，=3.6 GPa，=0.001進(jìn)行裂紋密度參數(shù)計(jì)算。較相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算值較大(表1)，這是滑動(dòng)裂紋模型缺陷所致，即該模型認(rèn)為煤體內(nèi)部裂紋之間是獨(dú)立擴(kuò)展滑移的，裂紋之間沒有相互作用。這是不切實(shí)際的，如水力壓裂作業(yè)中，廣泛存在的應(yīng)力陰影現(xiàn)象。若考慮裂隙之間的相互作用，ZIMMERMAN利用微分有效介質(zhì)理論得到更加符合實(shí)際的裂紋密度參數(shù)′:

(9)

煤體進(jìn)入屈服階段，微裂隙發(fā)展導(dǎo)致體積膨脹，造成煤體發(fā)生擴(kuò)容行為，表現(xiàn)出顯著的非線性力學(xué)特征。研究者對(duì)流體注入過(guò)程中，最大偏應(yīng)力-最大主應(yīng)變進(jìn)行了擬合，如圖15所示。由圖15可以看出，擬合效果良好，能夠反映煤體在加速擴(kuò)容階段應(yīng)力-應(yīng)變的非線性力學(xué)行為。煤體處于非穩(wěn)定擴(kuò)容階段內(nèi)，萌生的大量孔隙裂隙以及天然存在的內(nèi)部缺陷(也包括層理結(jié)構(gòu)和割理結(jié)構(gòu))迅速發(fā)育并擴(kuò)展，直至煤體失穩(wěn)破壞，裂紋密度參數(shù)作為內(nèi)部裂紋的表征量也相應(yīng)增加。由圖16可知，當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力一定時(shí)，裂紋密度參數(shù)′隨著流體壓力的增加而增加，這與原煤的應(yīng)變變化是一致的。流體壓力增加意味著流體進(jìn)入煤體內(nèi)更多的孔隙裂隙，在地應(yīng)力和高流體壓力驅(qū)動(dòng)下，煤體內(nèi)會(huì)有更多裂紋形成。

表1 增壓流體注入過(guò)程中原煤裂紋密度參數(shù)

圖17為不同黏度流體條件下，裂紋密度參數(shù)與水平應(yīng)力差的關(guān)系。由圖17可以看出，裂紋密度參數(shù)隨著水平應(yīng)力差(或中間主應(yīng)力)的增加而減小。在脆性狀態(tài)下，煤體強(qiáng)度隨著中間主應(yīng)力的增加而增大，高中間主應(yīng)力利于煤體內(nèi)部裂隙壓實(shí)。即煤體內(nèi)部(尤其是在垂直于中間主應(yīng)力方向上)天然或預(yù)先存在的閉合裂隙增加，張開裂隙相對(duì)減少，且因外部刺激形成的裂隙主要轉(zhuǎn)向最大水平主應(yīng)力方向，而閉合裂隙是剪切滑動(dòng)的必要條件。高水平應(yīng)力差作用下，煤體主要沿著弱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪切滑移，形成較大煤塊，因此煤體所受的水平應(yīng)力差越大，裂紋密度越小。此外，注水行為引起的裂紋密度參數(shù)相比注液態(tài)CO和N情況下較小，這是由水的黏度較大引起的。在同一壓力下，低黏度流體能夠進(jìn)入煤體內(nèi)部水進(jìn)不去的孔隙裂隙，在壓力驅(qū)動(dòng)下，更多的孔隙裂隙被激活。很多學(xué)者在研究不同壓裂液對(duì)水力縫網(wǎng)形成機(jī)制時(shí)也得出了同樣的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，即低黏度流體致裂多孔介質(zhì)煤巖體能夠形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

本節(jié)探討的是裂紋密度參數(shù)在注入增壓流體條件下的演化規(guī)律，對(duì)裂紋密度參數(shù)真實(shí)值的探究不在本研究范圍。裂紋密度參數(shù)的精確量化是個(gè)極具挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題。

圖15 原煤加速破壞期間的偏應(yīng)力-主應(yīng)變擬合(N2)Fig.15 Stress-strain fitting during accelerated failure of raw coal

圖16 裂紋密度參數(shù)與流體壓力的關(guān)系Fig.16 Relationship between crack density parameterand fluid pressure

圖17 裂紋密度參數(shù)與水平應(yīng)力差的關(guān)系Fig.17 Relationship between crack density parameter andhorizontal stress difference

5 煤體破裂時(shí)間預(yù)測(cè)

在油氣生產(chǎn)、地?zé)崮荛_發(fā)、二氧化碳地質(zhì)封存和廢水處理等流體注入工程中，地層中孔隙壓力的變化可能會(huì)誘發(fā)地震活動(dòng)，影響居民正常生活和工作秩序以及造成環(huán)境破壞。因此，預(yù)測(cè)流體注入致使儲(chǔ)層巖石破裂的時(shí)間很有必要。由于層理、面割理結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)孔隙壓力敏感性，使得原煤在水平方向上的有效應(yīng)力效應(yīng)顯著，即對(duì)水平地應(yīng)力抵消作用明顯。試驗(yàn)中，由于垂向應(yīng)力平行于層理和面割理結(jié)構(gòu)，使得垂向應(yīng)力對(duì)原煤變形和滲透特性的作用強(qiáng)于孔隙壓力對(duì)其作用。向煤體內(nèi)注入流體進(jìn)行增壓破裂這一過(guò)程，因有效應(yīng)力各向異性特性，最大偏應(yīng)力[(-×)-(-)]在不斷增大。原煤破壞失穩(wěn)本質(zhì)上是由偏應(yīng)力作用下?lián)p傷累積所致。采用Voight的時(shí)間破裂模型(Concept of time-to-failure)來(lái)預(yù)測(cè)原煤破壞：

(10)

式中，為試驗(yàn)實(shí)時(shí)時(shí)間，s；為常數(shù)；為衡量非線性程度的指數(shù)，通常1<<2；為前兆應(yīng)變。由于體積應(yīng)變可以測(cè)出，用代替，則有

(11)

當(dāng)煤體內(nèi)裂紋擴(kuò)展不受控制地快速擴(kuò)展，也就是原煤進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)容階段直至失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為原煤體應(yīng)變快速變化。此時(shí)，非線性程度指數(shù)=2，代入式(11)求解得到

(12)

式中，為煤樣非穩(wěn)定擴(kuò)容開始的時(shí)間，s。

以地應(yīng)力==15 MPa，==40 MPa，==50 MPa條件為例進(jìn)行流體增壓破裂煤體的時(shí)間分析。當(dāng)體應(yīng)變速率為0((d/d)=0)，也就是與圖18中的橫坐標(biāo)時(shí)間軸相交時(shí)，意味著該時(shí)間對(duì)應(yīng)著裂紋擴(kuò)展不受控制(體積應(yīng)變快速變化)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(12)，通過(guò)計(jì)算得到預(yù)測(cè)破裂時(shí)間=2 651.9 s，與試驗(yàn)時(shí)間2 603.1 s非常接近，說(shuō)明方程(10)～(12)可以預(yù)測(cè)煤體在注入流體環(huán)境下的破壞時(shí)間。上述方程的應(yīng)用是建立在巖石破壞與損傷累積這一緊密聯(lián)系的共性基礎(chǔ)上，就像折筷子發(fā)出的聲音符合地震三大定律，都存在自相似問(wèn)題。

圖18 水注入期間原煤加速擴(kuò)容階段破壞時(shí)間預(yù)測(cè)Fig.18 Short-term forecast for accelerated dilatancyduring pressurized water injection

6 CO2相變致裂煤層

CO相變致裂增透煤層技術(shù)已取得一定進(jìn)展。在相變瞬間，應(yīng)力波和高能氣體使低滲煤層產(chǎn)生大量裂隙，這一過(guò)程類似于炸藥作用煤層。此外，由于液態(tài)CO黏度小，還能有效促使煤層內(nèi)原生孔隙裂隙群的擴(kuò)展與連通。探究現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采過(guò)程中低黏度效應(yīng)對(duì)瓦斯增產(chǎn)的作用機(jī)理很有必要。

原煤具有雙重孔隙特性，孔徑呈雙峰分布。WANG 等、MENG等認(rèn)為，流體運(yùn)移過(guò)程中，微孔也限制了流體運(yùn)移，即流體的傳輸必須利用與微孔相連的相對(duì)狹窄通道(圖19)。程遠(yuǎn)平等認(rèn)為煤中甲烷主要以微孔填充的形式吸附在微孔孔隙中。液態(tài)CO黏度小，相較于注水，使得煤體產(chǎn)生了更多的裂隙(圖17)，這對(duì)瓦斯運(yùn)移產(chǎn)生了兩方面的作用：① 有利于孔隙壁處產(chǎn)生拉伸裂紋(或I型裂紋)，連通大孔和微孔，增加滲流通道；② 激活了充填在微孔內(nèi)的瓦斯運(yùn)移。 應(yīng)力波和高能氣體構(gòu)造煤體復(fù)雜裂隙網(wǎng)的作用范圍有限，二氧化碳的低黏度效應(yīng)會(huì)延伸至煤層較遠(yuǎn)處，在其相變致裂后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能保持較好的抽采效果。

圖19 煤體中微孔對(duì)瓦斯運(yùn)移的作用Fig.19 Effect of micropores on gas migration in coal

7 結(jié) 論

(1) 隨著中間主應(yīng)力的減小，散落的煤顆粒越來(lái)越小，煤體由剪切型破裂轉(zhuǎn)向?yàn)槔煨推屏选Ｃ后w在破壞時(shí)的流體壓力峰值隨中間主應(yīng)力的增加而減小，增壓注水時(shí)流體壓力峰值相比液態(tài)CO和N較大。隨著流體壓力的增加，煤體變形在最小主應(yīng)力方向上呈擴(kuò)張態(tài)，在中間主應(yīng)力方向上其變形經(jīng)歷了水平最大主應(yīng)力處于較低水平時(shí)的擴(kuò)張狀態(tài)到水平最大主應(yīng)力處于較高水平時(shí)的壓縮狀態(tài)。

(2) 在低中間主應(yīng)力水平下，新生拉伸裂隙的局部壓應(yīng)力場(chǎng)未顯著增強(qiáng)，使得沿著層理面以及層理面附近形成的裂隙以拉伸裂隙為主。高中間主應(yīng)力水平下，煤體內(nèi)主裂隙出現(xiàn)了斜穿層理結(jié)構(gòu)的剪切破壞和沿著弱面結(jié)構(gòu)的拉伸破壞，形成較大的煤塊。裂隙在形成過(guò)程中出現(xiàn)了煤顆粒的翻轉(zhuǎn)、高壓流體作用下誘發(fā)拉伸裂隙引起層理面平移、偏應(yīng)力作用下誘發(fā)剪切裂紋穿越層理面形成宏觀剪切滑移面和剪切裂紋在拉伸裂紋處中止擴(kuò)展。

(3) 利用修正裂紋滑動(dòng)模型，得出煤體在失穩(wěn)破壞前，裂紋密度參數(shù)不斷增加。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力一定時(shí)，裂紋密度參數(shù)隨著流體壓力的增加而增加，這與原煤的應(yīng)變變化相一致。增壓注水引起的裂紋密度參數(shù)相比注液態(tài)CO和N情況下較小，這是由水的黏度較大引起的，即低黏度流體能夠進(jìn)入煤體內(nèi)水進(jìn)不去的孔隙裂隙。在壓力驅(qū)動(dòng)下，更多的孔隙裂隙被激活?；瑒?dòng)裂紋模型能夠較好的表征巖石在加速擴(kuò)容階段的應(yīng)力-應(yīng)變的非線性行為。

(4) 因有效應(yīng)力各向異性特性，在流體注入過(guò)程中煤巖的最大偏應(yīng)力也在不斷增大，導(dǎo)致其損傷不斷累積，最終失穩(wěn)破壞。采用時(shí)間破裂模型預(yù)測(cè)原煤在非穩(wěn)定擴(kuò)容階段破壞時(shí)間，計(jì)算得到的預(yù)測(cè)破裂時(shí)間接近試驗(yàn)時(shí)間，證明了該模型可以預(yù)測(cè)流體注入致煤體破裂時(shí)間。